El Tamiz

Ignora lo accesorio, atesora lo esencial

[Electricidad I] Conductores y aislantes

Estás leyendo la cuarta parte del bloque introductorio [Electricidad I]. Por si no sabes de qué estoy hablando, se trata de una breve serie de artículos que intentan dar una introducción sin fórmulas y con los mínimos requisitos previos a los conceptos básicos de carga eléctrica, corriente, potencial eléctrico y cosas por el estilo. Posteriormente habrá otros bloques que irán “construyendo” conocimiento con estos cimientos. Al tener ya listos cuatro artículos, hemos preparado una página de descripción/índice del bloque para que sirva de referencia, a la que iremos sumando artículos según se publiquen: [Electricidad I]

Como he dicho antes en el bloque, una cosa es que no supongamos que tienes conocimientos previos de Física, pero otra distinta es que esto sea coser y cantar. Estos artículos son a veces largos, a veces densos –por mucho que intente que sean agradables de leer–, y requieren concentración y cuidado al razonar. Mi recomendación es que en una primera lectura te saltes los cuadros de colores diversos y luego, si comprendes la base del artículo, amplies una segunda lectura con los cuadros que te interesen o cuyos títulos te llamen la atención. Así que, si estás listo para seguir aprendiendo las bases de la electricidad (si te nos unes ahora, empieza por el principio), vamos con ello.

En el artículo anterior hablamos acerca del concepto de corriente eléctrica y su magnitud asociada, la intensidad de corriente. Lo hicimos entonces en abstracto, con cargas libres que se movían en el vacío, libres de cualquier injerencia por parte de cualquier otra cosa. Pero, en la realidad, las cosas no son tan simples: las cargas forman parte de átomos, y eso complica la situación. Hoy nos dedicaremos precisamente a ver cómo es la corriente eléctrica, no en abstracto, sino en el mundo real que nos rodea, destruyendo de paso alguna falsa idea que mucha gente tiene en la cabeza sobre la corriente en los cables.

Pero, antes de nada, la solución al Desafío 2 que planteamos hace un par de semanas, que nos será útil para utilizar algunos números en el artículo de hoy.

Solución al Desafío 2 - ¿A qué velocidad se mueven los electrones en un cable?

Para obtener una respuesta aproximada a la pregunta, haremos justamente lo que se indicaba en la pista final: calcular cuánto tiempo hará falta para que toda la carga contenida en ese cable salga de él. De ese modo tendremos la distancia que recorren los electrones que empiezan en un extremo del cable hasta salir por el otro (que es la longitud del cable) y el tiempo que tardan en hacerlo (el tiempo en salir de él), es decir, la velocidad media de esos electrones en el cable.

1. En primer lugar calculemos el volumen del cable: 10 mm2 de sección (es decir, 10-5 m2) y 1 m de longitud resultan en un volumen de 10-5 m3.

2. ¿Cuál es la masa de ese cable? Puesto que la densidad del cobre es 8940 kg/m3, nuestro cable tiene una masa de 0,0894 kg, pero como no nos importa redondear, porque esto es una estimación, digamos que es 0,09 kg.

3. ¿Cuántos electrones móviles hay allí? Dijimos que cada gramo de cobre contiene 9,5·1021 electrones móviles, con lo que nuestro cable (de 90 gramos) contiene unos 8,5·1023 electrones moviéndose por él: unos 136 000 culombios de electrones, ¡que se dice pronto!

4. La intensidad de corriente es 1 A, es decir, 1 culombio cada segundo. Esto significa que, para que los 136 000 culombios de electrones móviles del cable salgan de él, hacen falta 136 000 segundos (porque cada segundo atraviesa el extremo del cable 1 culombio).

5. La velocidad media de los electrones en el cable es entonces de 1 metro (la longitud del cable) cada 136 000 segundos… 7,4·10-6 m/s. Sí, lo lees bien. Pero analizaremos el resultado más en detalle al final del texto principal, porque es muy relevante para el artículo.


Aislantes

Como recordarás, en el artículo anterior describimos cómo conseguir mover cargas sin el menor problema utilizando la Ley de Coulomb: colocando cargas de uno u otro signo en determinados lugares, podríamos hacer que una carga libre empezase a moverse hacia donde nosotros queremos. Y así es realmente como conseguimos, en la realidad, producir corrientes eléctricas, pero con una complicación: en el mundo que nos rodea, las cargas no están libres, sino “atrapadas” en las distintas substancias. Y esto hace mucho más difícil, en algunos casos, hacer que se muevan. Me explico. Recordemos el dibujo de entonces:

Corriente eléctrica

Establecimos el concepto de corriente eléctrica en el caso más sencillo posible: un protón en el vacío, libre de cualquier influencia más que la de las otras dos cargas del dibujo –un protón y un electrón fijos–. Pero ¿dónde vas a encontrar esa situación en el mundo que te rodea, salvo que la prepares cuidadosamente en un laboratorio? Casi en ninguna parte. La Ley de Coulomb es la clave para mover cargas, pero también es la culpable de que sea difícil moverlas: al atraerse unas a otras, las cargas de distinto signo tienden a agruparse en átomos, como vimos en la primera entrada del bloque, debido a la propia Ley de Coulomb. Y, puesto que la atracción es tanto mayor cuanto más cerca están unas cargas de otras, afectar a las cargas de un átomo para que se muevan es difícil.

Imagina, por ejemplo, que tenemos un átomo de hidrógeno como el que describimos en el artículo de la carga eléctrica. Al constar de un protón y un electrón, nuestro átomo es neutro. Visto desde lejos, “negro” y, si lo hacemos de cerca, un núcleo de carga positiva rodeado de carga negativa:

Átomo de hidrógeno

Si hacemos lo mismo que hicimos en el ejemplo sencillo de arriba, poniendo un par de cargas a los lados para producir un movimiento de cargas…

Átomo de hidrógeno 2

Tenemos un problema. Si has comprendido la serie hasta el momento, deberías ser capaz de comprender por qué rápidamente. Sí, el electrón fijo de la derecha tiende a mover el protón del hidrógeno hacia la derecha (porque lo atrae) y el electrón del hidrógeno hacia la izquierda (porque lo repele), y el protón fijo de la izquierda hace lo propio: tiende a mover el protón del hidrógeno hacia la derecha y el electrón hacia la izquierda. Todo parece sumarse igual que antes, para que el protón del hidrógeno vaya hacia la derecha y el electrón hacia la izquierda, produciendo un movimiento de cargas – una corriente eléctrica…

¡Pero el protón y el electrón del hidrógeno también se atraen el uno al otro! En el ejemplo en el vacío, no había ninguna injerencia sobre la carga libre que estaba flotando ella sola… pero ahora sí la hay. Ese protón y ese electrón no sólo se atraen: como están mucho más cerca el uno del otro de lo que lo están las otras dos cargas “externas”, se atraen con muchísima más intensidad de lo que los repelen o atraen las otras dos cargas. Como consecuencia, no va a haber apenas movimiento de carga. Lo más que va a suceder es que se produzca un ligerísimo desplazamiento, y que se acabe con algo parecido a lo que sucedió con nuestros experimentos con peines de plástico:

Hidrógeno polarizado

Es decir, que las cargas del átomo se desdoblen muy ligeramente, pero no que se separen. Haría falta una cantidad de carga gigantesca fuera del átomo de hidrógeno para que las fuerzas de Coulomb correspondientes fueran más intensas que las que existen entre el protón y el electrón dentro del átomo. Como consecuencia, aunque todo lo que explicamos en la entrada anterior es cierto, conseguir que las cargas se muevan en ese átomo de hidrógeno es dificilísimo.

Lo mismo sucede con cualquier otro átomo suelto, claro. Sin embargo, cuando los átomos se unen unos a otros, pueden suceder cosas algo más complejas que hagan más fácil que las cargas puedan moverse. Todo depende básicamente de cómo se unen esos átomos, y las razones últimas del comportamiento de las cargas en las sustancias se escapan con mucho del alcance de este bloque. Dependiendo de qué átomos forman una sustancia y cómo son las fuerzas de atracción entre ellos, y entre los núcleos y los electrones que los rodean, existen una miríada de comportamientos eléctricos diferentes, pero centrémonos en dos extremos.

Muchas sustancias, como todos los gases de la atmósfera, el agua, el vidrio, el papel, la madera, etc., se comportan casi igual que el átomo de hidrógeno que hemos utilizado antes como ejemplo. Las fuerzas que mantienen unos átomos unidos a otros son mucho menos intensas que las de atracción entre electrones y núcleos, con lo que es complicadísimo hacer que las cargas se muevan. Son los materiales comúnmente llamados aislantes, aunque la palabra es, como tantas otras cosas, relativa: hay distintos grados, y una sustancia puede ser más aislante que otra y menos que una tercera. De hecho, más adelante veremos cómo medir este carácter cuantitativamente, pero por ahora lo que nos interesa es el concepto.

Plasma y corriente eléctrica

Si conseguimos romper los átomos del hidrógeno del ejemplo de arriba, de modo que los protones y electrones estén sueltos, no habría problema alguno para que condujese la corriente eléctrica. Lo que tendríamos entonces, claro, ya no sería hidrógeno propiamente dicho, sino núcleos y electrones sueltos, es decir, un plasma. Los plasmas sí conducen muy bien la corriente, puesto que las cargas ya no están atrapadas unas en el férreo puño de las otras.

Para conseguir eso, claro está, hace falta mucha energía. Una manera de conseguirlo es calentar el hidrógeno tantísimo que la energía cinética de los electrones y los núcleos sea tan grande que se separen espontáneamente por sus violentas vibraciones, como sucede en las estrellas. Otra manera sería utilizar, no un par de cargas como en el ejemplo de ahí arriba, sino una cantidad tan gigantesca de carga externa que superase las propias atracciones internas y el átomo se desgajase en su núcleo positivo por un lado y su electrón por el otro. Esto es lo que sucede, por ejemplo, en la descarga de un rayo.


Conductores

Naturalmente, existen otros materiales en los que no es tan difícil provocar el movimiento de cargas, o yo no estaría utilizando un ordenador para escribir estas líneas. Se trata de sustancias en las que todas las cargas no están sujetas unas a otras como en el ejemplo anterior, con lo que las cargas se mueven con relativa facilidad: los conductores (y, una vez más, se trata de una cuestión de grado, no absoluta). El caso más común en la vida cotidiana es el de los metales, de modo que –aunque las razones últimas de su comportamiento se escapen con mucho del alcance de este bloque– quiero explicar brevemente por qué conducen la electricidad bastante bien.

Los elementos metálicos, como el oro o la plata, lo son porque, aunque como cualquier otro átomo, las fuerzas de Coulomb mantienen el núcleo positivo unido a los electrones de carga negativa que lo rodean, algunos de los electrones más externos no están tan fuertemente unidos al núcleo como en otros elementos. Como consecuencia, aunque un átomo de plata aislado se comportaría igual que el de hidrógeno que hemos utilizado antes como ejemplo, si se unen dos átomos de plata, la cosa cambia. Esos electrones más externos, aunque no podían escapar sin más de su átomo, al tener otro muy cerca pueden pasar a él con bastante facilidad. Claro, al pasar el electrón de un átomo al otro, el átomo abandonado tendrá ahora más carga positiva que negativa –quedará con carga neta positiva– y al revés en el átomo de destino, con lo que es probable que este electrón díscolo se vuelva otra vez al átomo original muy pronto.

Pero también es posible que no lo haga, y que sea uno de los electrones externos del átomo de destino el que lo haga… y luego que pase de nuevo al segundo átomo, siendo reemplazado por el electrón que se movió originalmente, y así una y otra vez, aleatoriamente. Es como si estos electrones “díscolos” (que se llaman, aunque no tenga importancia para este bloque, electrones de valencia) no pertenecieran al átomo del que originalmente provenían: se comportan como si perteneciesen a ambos por igual.

Y si unimos no dos, ni tres, sino miríadas de átomos de plata, entonces esos electrones vagabundos no se verían limitados a pasar de un átomo a otro y de vuelta, porque ese segundo átomo tendrá otros cerca, a los que pueda pasar el electrón. El resultado es que esos electrones pueden saltar de átomo a átomo muy fácilmente y moverse por todo el metal; como si el metal estuviera hecho de una serie de núcleos rodeados de todos sus electrones obedientes (que son casi todos, porque los díscolos suelen ser uno o dos por átomo), y una “sopa de electrones díscolos” que saltan alegremente de átomo a átomo:

Metal como sopa de electrones

Desde luego, esta libertad de los electrones díscolos existe porque hay otro átomo del metal justo al lado del primero: si llegan, por ejemplo, al borde del metal, en una dirección hay átomos metálicos –y los electrones podrán pasar a ellos sin problemas–, pero en la otra no. De modo que los electrones de valencia no son prisioneros de un átomo individual, pero sí de todos ellos juntos, es decir, del metal en su conjunto.

El fluido eléctrico

Antes de que se conocieran los electrones, una de las teorías que trataba de explicar el comportamiento eléctrico de las sustancias postulaba la existencia de un fluido invisible de naturaleza continua, el fluido eléctrico, que empapaba todos los objetos. Cuando un objeto tenía más fluido que otro y se ponían en contacto, la sustancia fluía de uno a otro objeto hasta equilibrarse.

Como puedes ver, aunque la teoría no sea cierta, esta “sopa de electrones” que existe en los metales se parece bastante a ese fluido eléctrico. De hecho, seguimos hablando de “corriente”, de “flujo” y cosas parecidas, a pesar de que microscópicamente la carga eléctrica es discreta. Y, muchas veces, pensar en la corriente eléctrica como el flujo de un fluido invisible ayuda a comprender problemas que de otra manera serían difíciles de atacar.

Quiero hacer énfasis en un par de aspectos que a veces se obvian en los libros de texto. En primer lugar, los electrones de valencia del metal son tan díscolos que se están moviendo, como he dicho antes, de un átomo a otro constantemente, como un montón de bolas de billar rebotando constantemente en una mesa. Es decir, los electrones de un metal se mueven por él todo el tiempo, no sólo cuando producimos una corriente en él. La cuestión es que, salvo que algo más suceda, esos movimientos son aleatorios e imposibles de detectar macroscópicamente, porque hay tal cantidad de electrones moviéndose que de forma neta no se nota nada de nada. Hace falta que muchos electrones hagan lo mismo (por ejemplo, moverse todos hacia un sitio a la vez) para que se note algo.

En segundo lugar, en casi todos los metales la inmensa mayoría de los electrones son perfectamente obedientes y se mantienen unidos a sus átomos; sólo unos pocos electrones son “díscolos” y se mueven libremente. Para que te hagas una idea, cada átomo de plata tiene 47 electrones, y de éstos 46 se mantienen unidos a su átomo y sólo uno puede moverse por la plata en su conjunto. Claro, en un trozo de plata macroscópico ese electrón por átomo supone que haya miríadas de ellos “revoloteando” por el interior del metal, pero sólo uno de 47 es “díscolo”.

¡Pero un electrón de cada átomo es todo lo que hace falta! La diferencia puede parecer pequeña, pero es inmensa y tiene consecuencias tremendas sobre el comportamiento de un trozo de plata comparado, por ejemplo, con un pedazo de vidrio. Si ponemos un trozo de vidrio en la situación de nuestro átomo de hidrógeno del comienzo para intentar mover sus cargas, pasaría lo mismo de antes:

Vidrio

Pero, si hacemos lo propio con un trozo de plata, ¡la cosa cambia totalmente! Los átomos sufrirán el mismo levísimo desdoblamiento de cargas que en el caso del vidrio… pero los electrones díscolos pueden moverse más. En primer lugar, los electrones libres cercanos al protón de la izquierda, al ser atraídos por él, se moverán hacia él –los que ya están en el borde no pueden, pero sí pueden moverse los que están cerca pero no en el borde–, y los electrones cerca del electrón de la derecha serán repelidos por él:

Metal conduciendo 1

Aquí es donde viene la clave de la cuestión y de la transmisión de electricidad a través de los cables, de modo que espero poder explicarme con la suficiente claridad para que en un momento dado se encienda una bombillita sobre tu cabeza. El movimiento de los electrones cercanos a los dos extremos de la plata ha dejado dos huecos en los que no hay electrones, uno cerca del protón (el hueco A) y otro cerca del electrón (el hueco B):

Metal conduciendo 2

Existe una diferencia esencial entre estos dos huecos. El hueco A está cerca del protón, mientras que el hueco B está cerca del electrón. Aunque los electrones podrían rellenar esos dos huecos de nuevo volviendo a sus posiciones iniciales, nunca harán eso, ¡precisamente han sido movidos de esas posiciones por las cargas externas! De modo que los electrones a la derecha del hueco A tienen un hueco a su izquierda, pero electrones a su derecha, con lo que la fuerza de Coulomb tenderá a moverlos a su izquierda. Pero, cuando se muevan, dejarán un hueco donde se encontraban, con lo que a los electrones a la derecha del hueco les sucederá exactamente lo mismo. Por lo tanto, como si de línea de conga se tratase, lo mismo va pasando a lo largo del resto del metal, de modo que al final tendremos algo así:

Metal conduciendo 3

¡Los dos huecos acaban a la derecha! Se ha producido un movimiento de los electrones “díscolos” de derecha a izquierda: una corriente eléctrica, y esta vez dentro de una sustancia física, no de cargas libres en el vacío. Pero lo más fascinante de todo no es esto: lo mismo hubiera sucedido si el trozo de metal hubiese sido el doble de largo, o diez veces más largo, o cien veces más largo. Ésa es la clave de todo, de modo que quiero detenerme un momento en ello.

El movimiento inicial se produce, claro está, a causa del desequilibrio de cargas externas a nuestro metal, pero esa influencia sólo la notan (al menos, de una manera apreciable) los electrones muy cercanos a ellas. Son esos electrones los que, por un lado, “empujan” a los que tienen a un lado y, por otro, al dejar huecos, “tiran” de los que tienen al otro, según se mueven, como si fueran piezas de dominó cayendo unas sobre otras hasta completar el recorrido completo. Y, naturalmente, es la Ley de Coulomb la que hace que cada electrón que se mueve ligeramente genere un movimiento en los electrones adyacentes, y éstos en los siguientes, etc.

Desde luego, como puedes ver en el dibujo, el movimiento no ha sido de una enorme longitud, y llega un momento en el que las cargas se paran: cuando las fuerzas de Coulomb entre los electrones del metal y con los protones contrarresten exactamente las fuerzas de las cargas externas. Tendremos entonces un trozo de metal cargado positivamente en el lado derecho, y negativamente en el lado izquierdo. Y, por supuesto, si retiramos las cargas externas, los electrones “díscolos” volverán a repelerse unos a otros (y a ser atraídos por el extremo derecho del metal), con lo que volverán de nuevo a sus posiciones iniciales. De modo que, para producir una corriente que sea más constante y duradera, nos hace falta algo más – pero a eso llegaremos pronto.

No olvides tampoco que mis patéticos dibujitos no son realistas en absoluto: en un trozo de metal de verdad no hay unos cuantos átomos y sus correspondientes electrones; hay cantidades casi inimaginables de unos y otros. De modo que los movimientos se producen en masa, con miles de trillones de electrones desplazándose por cualquier pequeño trozo de metal.

Y aquí llegamos, por fin, a la respuesta a la pregunta que nos planteábamos hace dos semanas:

¿Hay una fracción minúscula de cargas moviéndose, o es que se están moviendo a paso de tortuga?

Si lees la solución al Desafío 2 arriba, aunque no hayas realizado el desafío –simplemente para ver los números involucrados–, comprenderás que el número de átomos –y por tanto de electrones díscolos– es absolutamente gigantesco. Y, por lo tanto, al haber tal cantidad de carga móvil, cualquier leve movimiento produce una intensidad de corriente apreciable y perfectamente utilizable. Es más: casi cualquier corriente eléctrica a tu alrededor la constituyen una cantidad terrible de electrones… que se mueven de forma neta a paso de tortuga.

Porque no olvides que, incluso cuando un cable transporta una corriente eléctrica, los electrones van saltando alegremente de unos átomos a otros. Lo que notamos “desde fuera” no son esos pequeños y rápidos movimientos aleatorios, sino el movimiento neto a lo largo del cuerpo, como en el dibujo de nuestro ejemplo de arriba. Y ese movimiento neto (tras múltiples saltos en distintas direcciones) es muy, muy lento.

Para que te hagas una idea, el cable que va de mi ordenador portátil al transformador que tengo a mis pies tiene unos dos metros de longitud, y los electrones que hacen funcionar mi ordenador se mueven por ese cable a unos diez centímetros por hora. Un electrón que empiece en el transformador tardará veinte horas en llegar a mi ordenador.

Y ésta es la falsa concepción más común cuando la gente aprende (y, desgraciadamente, muchas veces enseña) electricidad: pensar que por un cable los electrones se mueven cual centellas, casi a la velocidad de la luz… cuando realmente, si pudieras “marcar” un electrón determinado en un cable de la luz y lo mirases fijamente, ni siquiera notarías que se mueve lo más mínimo salvo que esperases minutos enteros. ¡Pobres electrones, tampoco son tan libres y díscolos como pudiera parecer!

De hecho, de díscolos tampoco tienen tanto: en el ejemplo de nuestro trozo de metal, han hecho exactamente lo que queríamos que hicieran, alejarse de un extremo y acercarse al otro. Y lo hemos logrado, por supuesto, creando un desequilibrio de cargas y haciendo uso de la Ley de Coulomb. Pero existe una manera alternativa de explicar todo esto, y esa manera es utilísima para explicar muchos otros comportamientos eléctricos de la materia, aunque requiere de un concepto nuevo y que confunde muchas veces a la gente: el voltaje. Y a él dedicaremos el próximo artículo de la serie.


Ideas clave

Para poder afrontar entradas posteriores del bloque, deberías tener claro lo siguiente:

  • El movimiento de cargas en las sustancias materiales depende de cuánta libertad de movimiento tengan las cargas dentro de la sustancia.

  • Cuando el movimiento de todas las cargas está limitado, el material es un aislante.

  • Cuando al menos algunas cargas pueden moverse con relativa libertad, el material es un conductor.

  • La corriente eléctrica supone el movimiento de una fracción muy pequeña de la carga total de un conductor, pero al mismo tiempo es una cantidad absoluta enorme de cargas en movimiento por el gran número de átomos en cualquier cuerpo macroscópico.

  • Estas cargas se mueven a una velocidad neta minúscula a lo largo del conductor, pero son tantísimas que la intensidad de corriente es apreciable a pesar de lo lento del movimiento de cada una.


Hasta la próxima…

El desafío de hoy es, como el anterior, de razonamiento puro. Si te atreves con él, veremos si has aprendido lo suficiente como para dar una explicación cualitativa (como solemos decir por aquí, “dicho mal y pronto”) a una pregunta que probablemente te hayas planteado al leer la última parte del artículo acerca de la velocidad de los electrones dentro de un conductor.

Desafío 3 - ¿Por qué no hay que esperar?

A estas alturas, estoy seguro de que comprendes que la pregunta “¿Cómo de rápido va la electricidad?” es una ambigüedad como un piano de cola, porque la propia palabra no significa nada que se mueva físicamente. Eso sí, algo es evidente: cuando yo enciendo mi ordenador no tengo que esperar veinte horas a que los primeros electrones que salieron del transformador le lleguen para que se encienda, con lo que la velocidad a la que mi ordenador recibe energía eléctrica desde el transformador no puede ser de diez centímetros por hora.

De modo que mi pregunta de esta semana es: ¿cómo es posible que los electrones vayan tan lentos, pero que mi ordenador se encienda de manera aparentemente instantánea –porque, si hay un transcurso de tiempo, es más breve del que yo puedo percibir–?

Aviso: Si sabes la respuesta, no la digas en comentarios. Esto no es para que nos demuestres nada a los demás, sino para que utilices las células grises para, empleando el razonamiento y lo que has aprendido, aventurar una explicación. En la próxima entrada responderemos a la pregunta y podrás saber hasta qué punto has acertado o no.

Puedes encontrar este artículo y otros como él en el número de noviembre de 2009 de nuestra revista electrónica, disponible a través de Lulu:

Para saber más:

Electricidad

46 comentarios

De: Sebastian Cespedes
2009-11-17 17:29:01

Por casualidad, se inspiraron en la serie The big bang theory para escribir este episodio?

es que justo coincidieron las fechas.... y el tema de la electricidad... si no conocen la serie, los invito a verla... o leerla en mi web! :)

http://seriesenred.com


De: Jerbbil
2009-11-17 20:39:40

Buenas tardes,

Instructivo y claro como siempre. Con cierto orgullo, quisiera decir que me aproximé bastante en el resultado cuando hice el desafío de a qué velocidad se mueven las cargas, y creo que más o menos sabría incluso responder al de este artículo. Eres un buen profe.

¡Y menos mal que anuncias ya la llegada del voltaje, porque me estaba empezando a comer las uñas!

Saludos cordiales.


De: Pedro
2009-11-17 20:42:52

Jerbbil, es que el voltaje no es tan fácil de explicar, y muchas veces no se hace demasiado bien; he sufrido bastante para hacerlo, pero ya me diréis si lo he conseguido o me he quedado en el intento cuando llegue el artículo en diciembre :)


De: Garred
2009-11-17 22:17:15

Buenas. Me encanta esta serie, porque soy aficionado a la electrónica y me aclara muchísimo los conceptos básicos. Sigue así ^^

Una duda: La redistribución de cargas "díscolas" que se produce en un material conductor al acercarlo a otra carga, es lo que provoca que dicho material sea atraído por, por ejemplo, un imán, ¿no?


De: Pedro
2009-11-17 22:27:02

Garred, no exactamente, se debe al campo magnético, que tiene que ver con cargas pero no necesariamente porque el cuerpo esté cargado de forma neta... llegará el bloque de magnetismo, llegará, pero no sé cuándo :)


De: JFlores
2009-11-17 22:36:47

Gracias Pedro por esta serie de artículos, a los que estamos empezando con la fisica de la electricidad y la electronica en la carrera nos viene de perlas! Estaría muy bien que mi profesor fuera tan ameno.
Un saludo!!


De: Rober
2009-11-18 00:30:30

¡¡ Hasta el mismísimo Maxwell entendería mejor la electricidad con tus artículos !! (perdón por la blasfemia)


De: Pedro
2009-11-18 07:05:22

JFlores, hombre, ten en cuenta que tu profesor lo está enseñando a un nivel "ligeramente" superior :) (Por cierto, he borrado tu razonamiento sobre el desafío, lo siento)

Rober, así me gusta, ¡moderado, sin exagerar! :P


De: Hootie
2009-11-18 09:05:07

La respuesta está clara:
Tienes un portátil con batería!!!

Creo que me acerco a la respuesta, aunque estoy como los electrones díscolos, alrededor de ella sin llegar a "tocarla" del todo.

Muchas gracias por escribir y sigue ayudándonos a entender lo que nos rodea.


De: Daryl
2009-11-18 10:25:51

Ansioso estoy esperando al voltaje. A ver si me aclaro de una santa vez y sobre todo de su verdadera relación con la intensidad. No me quedó muy claro el porque se usan altas tensiones tensiones para el transporte y bajas para el consumo y porque hace años (pero que muchos, muchos, años) pasó el voltaje domestico de 125 a 220 voltios. Eso por no hablar de porque algunas veces se usa la corriente alterna y otras la continua.
Mientras tanto esperaré resolviendo al desafio jugando al billar americano, ese que usa muchas bolas.


De: chamaeleo
2009-11-18 12:43:59

Daryl, se usan voltajes elevados porque así las pérdidas son menores. La potencia eléctrica viene definida por:

Intensidad*Voltaje

Y las pérdidas vienen definidas por:

Resistencia*Intensidad^2.

Por tanto, para una misma potencia, se minimizan pérdidas al subir el voltaje y bajar la intensidad.

Ahora bien, con ésto sólo te habré dado una "fórmula de brujo" que se puede comprobar, pero que queda sin explicar; y tendrás que hacer acto de fé. Lo interesante sería comprender la naturaleza de las pérdidas, y comprender por qué está definida por esa fórmula y no otra, y por qué depende de la intensidad al cuadrado, y no de otros factores. Habrá que esperar a que llegue el artículo correspondiente.


De: Odrareg Costa Rica
2009-11-18 15:31:52

profe, me he quedado maravillado
la explicacion es magistral, sencilla y directa
sencillamente, es una obra maestra...
muchas felicidades y gracias por compartir!
(eso se llama pasar la brocha, jejeje)


De: JFlores
2009-11-18 16:13:09

De acuerdo Pedro, no me imaginaba que con lo que escribí me fuera a acercar a la "solución", no lo habría escrito, my apologies!


De: Odrareg Costa Rica
2009-11-18 17:05:23

nooooooooooo!!! voltaje hasta diciembre...!
y una consultita...
el magnetismo de un iman natural, se debe a lo de las cargas? y si es asi, un iman natural puede poner a "correr" los electrones de algun conductor? los de un cable, por ejemplo? ... me rasco la cabeza


De: Pedro
2009-11-18 17:15:20

El magnetismo natural tiene que ver con cargas, pero no hace correr nada... me temo que vas a tener que esperar a que lleguemos al bloque de magnetismo, cuando lleguemos ;P


De: Odrareg Costa Rica
2009-11-18 17:26:35

ah gracias, aunque no lo creas, ahora podre dormir mas tranquilo jejeje
solo que me surgió otra duda, a ver si tu o alguien tiene tan tito de tiempo.
cual es el comportamiento de los semi-conductores en todo este rollo? simplemente tienen muy poquitos electrones sueltos por ahí, o son mas complicados?


De: Naeros
2009-11-18 22:17:05

@Odrareg, los semiconductores básicamente funcionan como aislantes o conductores en función del voltaje que les aplicas, dicho mal y pronto.


De: Jorge Muzio
2009-11-19 14:40:47

Te escribo desde Uruguay. Llevo casi dos años leyendo estos magnificos artículos y haciendo que otros amigos los lean. Lo que me motiva ahora a escribir, es el hecho de que me gustaría comprar algunos libros como Relatividad sin formulas, etc. o donar dinero para continuar ese excelente emprendimiento para el conocimiento cientifico básico, pero ocurre que el único modo sería mandando el dinero por un giro ( a traves de Western Union por ejemplo) ya que en el area nuestra, las recomendaciones son no utilizar las tarjetas de credito en este tipo de operaciones en la Web, por un peligro real, constatado, de maniobras delictuosas, de jackers, etc. ¿Podrían aceptarme un giro del tipo que les comento?


De: Angel
2009-11-19 15:16:22

Para los ansiosos que preguntan por la relación entre electricidad y magnetismo ;-) : cargas eléctricas en movimiento no uniforme (su velocidad o dirección de movimiento cambian con el tiempo) crean campos magnéticos, y un campo magnético que cambia con el tiempo crea corrientes electricas si tiene cargas cerca. Dicho así, obviamente no estoy explicando nada, pero supongo que Pedro ya llegará en su momento al meollo del asunto. Personalmente, la relación entre electricidad y magnetismo es lo más interesante de todo esto, ya que entronca directamente con la teoría de la relatividad (el primer artículo de Einstein se llama "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" por algo).


De: Jose
2009-11-19 23:52:35

Me ha sorprendido muchísimo lo de la velocidad de los electrones en un conductor. Soy químico, y en la carrera estudiamos electricidad a un nivel mayor que el elemental, y nunca vi nada que sugiriera esto. Ha sido un descubrimiento para mí. Pero ahora tengo una duda. ¿cómo pueden estos electrones-caracol provocar un campo magnético cuando se mueven? ¿cómo puede un movimiento tan lento provocar las enormes fuerzas magnéticas de las bobinas de los motores?


De: Pedro
2009-11-20 07:21:12

Jose, por lo que se explicó en el artículo de la intensidad de corriente y el número de cargas móviles. La velocidad media de los electrones en el cable del motor es muy pequeña, pero el número de electrones es gigantesco, con lo que la intensidad puede ser muy grande. Por si aún no te convence y quieres más:

Tal vez ye hayan explicado esto ya, pero matemáticamente: I = dq/dt, pero dq = nedV, donde n es la densidad de electrones móviles en el cable, e la carga del electrón y dV el diferencial de volumen. Si el cable tiene sección S, entonces dV = Sdl, donde dl es el diferencial de longitud, con lo que I = neSdl/dt. Pero dl/dt es precisamente la velocidad media de los electrones en el cable, v, con lo que I = neSv. De los cuatro factores, uno (n) es gigantesco --puedes revisarlo en el planteamiento del desafío, no recuerdo si lo damos directamente pero si no, puedes calcularlo--, tan grande que incluso teniendo en cuenta la pequeña velocidad media de los electrones, la intensidad puede llegar a tener valores bastante grandes. Además, aunque no sea de este bloque, no hace falta una gran intensidad para producir campos magnéticos apreciables.


De: Toms
2009-11-20 13:42:42

Felicidades por el artículo. Se entiende muy bien.

Un saludo.


De: Toms
2009-11-20 13:59:22

La verdad es que lo que el e- vaya super lento me ha dejado "estupefacto".

Si pudiésemos "ir de la mano" con un e- y quisiéramos llegar rápido a algún sitio habría que decirle: "date prisa que llego tarde, no vaya a ser que te pille el protón" jejejejeje.

Bueno, lo del desafío no lo tengo todavía muy claro, pero sigo pensando en ello.


De: Zetterström
2009-11-24 23:30:10

Estimado Pedro, muchas gracias por explicarnos estos temas apasionantes de forma tan amena. Esperaremos al siguiente con impaciencia. Yo también era de los que pensaban que los electrones viajaban muy rápido. Ahora todo empieza a tener más sentido gracias a tus explicaciones.

Un cordial saludo


De: lsg
2009-11-28 00:16:53

Enhorabuena por este artículo, nunca había visto explicada la electricidad con tanta claridad como en estos artículos. Siempre está bien recordar la base, y ojalá que mi profesor de campos,(aunque el nivel sea distinto) fuese tan claro explicando las cosas. La verdad es que siempre he tenido un poco de odio a la electricidad, tanto en el instituto, como en Fisica II, y ahora en la parte de "Aplicaciones" de Teoría de Campos. (al menos en caminos no se da mucho). Espero con impaciencia los siguientes Y felicidades de nuevo.
Pd Aunque casi nunca he escrito te suelo leer prácticamente todos los artículos, excepto los de física moderna que últimamente me los salto.


De: Zetterström
2009-11-28 19:13:01

Hola de nuevo, Pedro.

Me gustaría ponerme a estudiar física de nuevo (mi nivel es inferior ahora al que tenía al acabar el bachillerato de ciencias, hace 20 años). ¿Me podrías recomendar algún libro general? En español o en inglés, me da igual.

Gracias anticipadas.


De: Pedro
2009-11-28 19:36:11

Zetterström, supongo que te refieres a física a nivel académico, no divulgativo. Yo empezaría por ir a una biblioteca o a una librería de libros usados --especialmente en una universitaria, que los tienen seguro-- y hojear dos trilogías excelentes: "Physics" (a veces "Fundamental University Physics") de Marcelo Alonso y Edward J. Finn, y "The Feynman Lectures on Physics" de Richard Feynman, la primera como base y la segunda como "lecturas adicionales para entender las cosas". Si los hojeas y te convences, yo me los compraba en inglés, que es el idioma original en ambos casos, ya que no es problema.

En ebay estoy viendo ahora mismo varias copias del Feynman, con precios muy, muy asequibles; si buscas "feynman lectures" verás las de Feynman (hay versiones con los tres volúmenes en uno)... Si no lo tuviera, cazaba uno ahora mismo.

No veo el Alonso-Finn en ebay ahora mismo; aunque está en bibliotecas, también lo puedes conseguir en inglés en varios sitios, preferiblemente usado que es más económico, como en amazon.co.uk si estás en Europa (http://www.amazon.co.uk/gp/offer-listing/0201565188/ref=sr_1_olp_1?ie=UTF8&s=gateway&qid=1259433275&sr=8-1), o en amazon.com si estás en América (http://www.amazon.com/gp/offer-listing/0201565188/ref=dp_olp_used?ie=UTF8&condition=used).


De: Zetterström
2009-11-28 19:59:04

Muchas gracias, Pedro. El caso es que mi novia ya está pensando en qué regalarme estas navidades, y por si acaso me adelanto y le digo lo que quiero, ja, ja.

Sí, me refiero a física de nivel académico. No quiero abusar, pero si me permites preguntarte, querría que me recomendaras también algún manual de matemáticas de nivel de bachillerato, porque se me están olvidando, aunque ayer busqué en wikipedia "derivada" y me alegré de haberlo entendido, no todo está apagado en mi cerebro. Por ejemplo, cuando ojeo ahora un libro de física y se empieza hablado de cinemática con vectores, me pierdo un poco...

De nuevo, te estoy muy agradecido por tu ayuda, y felicidades por el excelente trabajo que haces.

Saludos


De: Pedro
2009-11-28 20:18:22

El Alonso-Finn contiene las matemáticas básicas necesarias para entender la física (gradientes, integrales, cálculo vectorial, etc.), aunque no con el mismo detalle y extensión que un texto de matemáticas. Yo empezaría por ahí y, si se te queda corto, buscaría el de matemáticas... es posible que, sobre todo si son cosas que quieres recordar y no aprender de nuevas, te baste con lo que ya hay en el Alonso-Finn.


De: Zetterström
2009-11-28 20:34:48

Pedro, muchísimas gracias! Voy a ponerme a mirar ahora.

Saludos!


De: Garcius
2009-12-02 00:12:21

Este articulo me ha parecido magistral, al leerlo da la sensación de que lo entiendes perfectamente y que no se puede explicar mejor.
Por otro lado, me esta sorprendiendo muy gratamente el ver que estos conocimientos de cargas eléctricas son aplicables a cosas como el funcionamiento interno de una estrella, o "entender" por que un átomo tiene el mismo número de protones que de electrones, como se comportan las diferentes estructuras atómicas, o mil mas que a partir de ahora nos podrás explicar, genial esta serie.
A mi también me dan ganas de volver a estudiar, aunque no creo que yo lo haga mas alla de tus clases; habria que darte un premio por la motivación que trasmites para estudiar física, sin lugar a dudas es muy valioso lo que estas haciendo por y para la ciencia, muchas gracias.


De: Peluca
2009-12-11 15:50:28

"Las fuerzas que mantienen unos átomos unidos a otros son mucho menos intensas que las de atracción entre electrones y núcleos, con lo que es complicadísimo hacer que las cargas se muevan."

No sería mucho más intensas... y por eso no lográs moverlas... no se si entendí bien :S


De: josecb
2011-03-09 20:59:27

Yo era uno de los "ignorantes" (por suerte ya no) que pensaba que los electrones se movían prácticamente a la velocidad de la luz, porque claro, acostumbrado a darle al interruptor y que "instantáneamente" se encienda la luz la primera impresión es que se mueven rápido.

Pero claro, basta con un leve desequilibrio ya que hay un montón de electrones.

Pienso que esto se debería explicar en el colegio, porque hay muchísima gente que piensa eso.

"No sería mucho más intensas… y por eso no lográs moverlas… no se si entendí bien :S"

Las fuerzas que unen a los átomos entre sí no son las mismas que mantienen los electrones unidos al átomo. Las primeras son mucho más débiles, de lo contrario sería muy fácil mover cargas.

Muy buen artículo.


De: Otacon
2011-04-14 01:13:55

Increíble, Pedro. Llevo siguiendo la web desde hará unos 3 o 4 años, cuando Google me trajo hasta aquí mientras buscaba información sobre no me acuerdo qué partícula elemental, y nunca había comentado nada en este tiempo pero es que esto ya lo merece. Tenia en mente leerme este bloque sobre electricidad desde hace ya tiempo, más que nada porque conociéndote queria ver si conseguia de una puñetera vez entender DE VERDAD cómo funciona eso que supuestamente me han explicado tantas veces llamado electricidad, y desterrar falsas ideas preconcebidas... y vaya si lo he hecho! De un plumazo y sin despeinarte has conseguido con éste artículo cambiar por completo cualquier concepción e idea que yo pudiera tener sobre la electricidad desde que no levantaba un palmo del suelo, cuando me empezaba a preguntar cómo podía ser que al darle al botoncito de la pared se encendieran aquellas bombillas que había en el techo de mi cuarto xD
La verdad es que no sé si habrá por ahí alguna institución o algo así que otorgue premios a la docencia, pero si no existe ninguna, que la inventen y te den el premio a ti YA, porque no sé si en verdad serás consciente de la gran labor que haces por aquí.
En resumen, que eres un crack jeje ;) Y que conste que los elogios no son porque quiera nada a cambio eh :P


De: Hawkman
2011-11-25 17:30:12

Excelentes artículos.

Tal como lo veo parece que sería posible conseguir lo mismo solo con el protón externo, al final en vez de dos huecos solo tendríamos uno. El caso es que parece que el hueco B (el que produce el electrón externo) no avanza, y es solo el hueco A el que va produciendo el movimiento de los electrones díscolos hasta llegar al hueco B.

Entiendo que el electrón externo empuja los electrones ayudando a que avancen hacia la izquierda, pero si solo produce un hueco (el electrón díscolo del primer átomo de plata pasa al segundo), pues este segundo átomo tendrá mas carga negativa que empujará al electrón díscolo del siguiente átomo, pero si este empuje no es suficiente para hacerlo saltar al siguiente átomo, esa fuerza de empuje se irá debilitando sucesivamente. Por tanto si el cable es lo suficientemente largo, el empuje del electrón exterior terminará por ser nulo.

Pero esto no parece que pase con el hueco de la izquierda que si avanza.

En definitiva, solo con un protón externo sí podemos conseguir una corriente, pero solo con un electrón no.


De: Hawkman
2011-11-25 18:10:13

Vale, esto se explica en el siguiente artículo.


De: gerardo
2012-01-19 21:25:25

en el ejemplo de la plata... ¿hay un solo electron de valencia o hay varios? es decir ¿un ladrillo de plata mantiene sus moleculas uniendo atomos por un solo electron? entiendo que no, porque si fuera asi, cuando el electron que hacia de enlace se da a la fuga para formar parte de una corriente, dejaria atomos sueltos tras de si. am i wrong?


De: Hawkman
2012-02-15 20:47:37

En la resolución del desafío estás asumiendo que todos los electrones libres están en un extremo del cable, cuando esto es claramente falso, pues se encuentran distribuidos por todo el cable. Por tanto deberías calcular en que longitud de cable se encuentra un culumbio de electrones libres, y calcular la velocidad de estos en base a la longitud de ese pedazo de cable y solo 1 culumbio de electrones.

¿no?


De: Hawkman
2012-02-16 10:33:29

Vale ya veo que estoy hecho un lumbreras, es justamente lo mismo. Si en 1 m de cable hay 136 000 culombios de electrones móviles, ¿en que longitud de cable habrá 1 culumbio de estos electrones? pues 1/136 000, y esa distancia la recorrerán en 1 segundo.

En mi defensa decir, que me pegué toda la tarde de ayer intentando asimilar que es la intensidad (con el artículo anterior) y pasé a este a última hora, con lo que ya estaba muy espeso.


De: David
2012-05-14 08:42:35

Sé que los dibujos son solo representaciones burdas, pero cualitativamente son válidos, con lo que hay algo que no entiendo en ellos. En el caso de la plata, lo que permite que aparezcan los huecos A y B es que en cada uno de los átomos de la izquierda, hay dos electrones. ¿Eso debemos entender que es posible así sin más o tiene alguna explicación a mayores?


De: Oswaldo Ccoñas "W"
2012-07-20 11:55:55

FELICIDADES PEDRO POR TU BLOG realmente contribuyes con la difusion del conocimiento y nos ayudas a mucho a tener los conceptos mas claros,,, estuve leyendo del xke un pajaro no se electrocuta en lineas de alta tension y estuvo bastante claro... Pasare a revisar tu blog en su totalidad y GRACIAS x toda la informacion que nos brindas. "W"


De: roger
2013-08-17 17:06:02

Uffff :) en 4o de la ESO, a punto de entrar a 1º de Batxillerato, puedo decir que sin haber dado ni 1 clase de este tema, he sido capaz de resolver el desafio :) (por cierto, que usando el valor de 8960 kgm^-3 como densidad del cobre y teniendo en cuenta TODOS los decimales el resultado es de 7,33260059810^-6)


De: Spinor
2013-08-24 15:54:45

Hola,

Había visto esta deducción de la velocidad de los electrones, pero tengo entendido que es falsa. Me había dicho mi profesor que en realidad los electrones se mueven a una velocidad cercana a c en la superficie (pero solo unos pocos participan en la conducción). Creo que está relacionado con la velocidad de Fermi, pero hasta cuarto no doy Estado Sólido por lo que no lo tengo muy claro. Aún así, creo que la fórmula es válida para disoluciones iónicas.

Saludos.


De: Venger
2014-04-21 10:48

Yo lo que creo es lo siguiente:

Recuerdo en electrotecnia que nos enseñaron que el campo eléctrico sólo se genera por la superficie de un conductor. Ello quiere decir que los electrones sólo circulan por el exterior del cable, ¿no?.

Por eso, la velocidad de los electrones será otra. Mayor, claro

De: Antonio E.
2014-04-22 15:37

@Venger, eso solo sucede cuando el conductor está en equilibrio electrostático, es decir, cuando no circula corriente. Como contraejemplo, piensa en las quemaduras internas que produce un calambrazo...

De: Venger
2014-04-23 17:40

La verdad es que hay cosas de las que estás seguro durante años y de repente alguien viene y te la cambia. No sé si éste es el caso pero si es así, me frustra un poco porque no es la primera vez que me pasa.

¿Y qué hay de la jaula de Faraday?. Siempre entendí que era imposible electrocutarte dentro de una jaula porque la corriente siempre circula por el exterior. Bah, supongo que yo mismo me puedo responder a eso, no es un ejemplo a favor.

Pero vamos, que yo recuerdo como un profesor de la asignatura Transporte y Distribución de energía eléctrica juraba y perjuraba que la corriente sólo circulaba por el exterior del cable.

Ya no sé a quién creer, pero gracias Antonio E. por tu amable respuesta

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